Stadiul actual al realizarilor si cercetarilor privind imbinarile unor produse din materiale compozite

STADIUL ACTUAL AL REALIZARILOR SI CERCETARILOR PRIVIND IMBINARILE UNOR PRODUSE DIN MATERIALE COMPOZITE

1.Introducere

Dezvoltarea rapida materialelor compozite s-a nascut din necesitatea gasirii unor solutii constructive in diferite domenii industriale, in scopul imbunatatirii si optimizarii proprietatilor produselor. Substituind structuri din materiale clasice cu structuri din materiale compozite se obtin multiple avantaje, datorate proprietatilor mecanice ridicate (rigiditate si rezistenta), dar si unor proprietati fizice sau chimice deosebite. Imbinarile din materiale compozite, lipite sau asamblate mecanic, au inceput din ce in ce mai mult sa inlocuiasca imbinarile metalice clasice. In prezent, materialele compozite constituie un subiect de studiu intens pentru cercetatori, atat in vederea descoperirii de noi asemenea materiale, cu proprietati superioare, cat si in vederea extinderii utilizarii acestora in cele mai diverse domenii.

1.1. Clasificari, Definitii

Necesitatea obtinerii de noi materiale este un proces extrem de activ , in continua miscare. In general, un material este caracterizat de proprietatile si comportarea in exploatare, care la randul lor sunt strans legate de structura. Structura electronica, cristalina, precum si defectele structurale determina caracteristicile fizico-chimice si mecanice ale materialului, dintre care putem aminti : conductivitatea electrica si termica, modulul de elasticitate, temperatura de topire, reactivitatea chimica, densitatea, rezistenta la rupere, alungirea, tenacitate etc.

O clasificare a materialelor in functie de structura este (1)  :

1) materiale cristaline :

• Policristaline :

-aliaje feroase ;

-aliaje neferoase.

• Monocristaline :

-metale ;

-oxizi ;

-carburi ;

-nitruri ;

-materiale semiconductoare ;

-materiale optoelectronice ;

• Microcristaline ;
• Semicristaline.

2) materiale amorfe :

• Metalice ;
• Nemetalice.

3)materiale compuse :

• Componente dispersate reciproc ;
• Agregate de pulberi presate ;
• Materiale compuse rezultate prin acoperirea suprafetelor cu substante metalice si nemetalice ;
• Stratificate, obtinute prin asamblare succesive sau simultana.

Daca ne referim la aplicatiile ingineresti, materialele destinate acestora, se pot imparti in urmatoarele categorii principale : metale si aliaje, ceramica, sticle, polimeri, elastomeri si textile, compozite, fiecare dintre acestea cuprinzand familii de materiale.

Figura1.1. Categorii de materiale

Delimitarea domeniului materialelor compozite ridica numeroase probleme, deoarece practic aproape orice material poate fi considerat compozit. De aceea, pentru a restrange domeniul materialelor compozite, au fost impuse cateva conditii si anume [1]:

• Sunt realizate artificial, prin combinarea rationala a diferitelor componente ;
• Sunt combinarea a cel putin doua materiale, deosebite din punct de vedere chimic;
• Poseda proprietati pe care nici un component luat separate nu le poate avea.

Ca o definitie generala, materialele compozite sunt amestecuri de cel putin doua componente compatibile alese si orientate convenabil, ce prezinta proprietati sinergetice superioare celor specifice fiecarei componente in parte. [1]

Avantajul major al materialelor compozite consta in posibilitatea obtinerii unei game diverse de materiale cu proprietati controlate si imbunatatite.

Tehnologia de elaborare, precum si fractia volumetrica de faza dispersata in matrice, diferentiaza net materialele compozite de materialele conventionale.

In general, orice material compozit este o structura spatiala formata din doua elemente fundamentale [1] :

1)     matricea(mediu solid continuu), reprezentata de componentul cu cea mai mare proportie volumica ;

2)     armatura (sau umplutura) constituita din formatiuni solide izolate (discontinue) din componentul sau componentele de armare, care imparte matricea in volume mai mici, dar comunicante intre ele ;

3)     interfata, data de suprafata de separatie dintre acestea.

CLASIFICAREA MATERIALELOR COMPOZITE

Varietatea mare de materiale compozite, determina cateva criterii majore de clasificare. Principalele criterii de clasificare ale materialelor compozite, printre altele sunt : natura componentelor, geometria si distributia armaturii.[1]

A.            In functie de materialul dispersat si de modul de distributie al acestuia

• Compozite cu fibre :

- stratificate ;

- nestratificate ;

cu fibre continue :

- unidirectionale ;

- multidirectionale.

cu fibre discontinue :

- orientate;

- cu orientare aleatoare.

• Compozite cu particule :

-cu particule mici;

-cu particule mari :

o      Orientate preferential;

o      Orientate aleatoriu;

B. In functie de distributia materialului dispersat:

• Compozite anizotrope, la care proprietatile variaza cu directia, iar materialul dispersat este sub forma de fibre continue, orientate unidirectional ;
• Compozite izotrope, la care materialul dispersat este sub forma de particule sau fibre scurte, uniform repartizate;
• Compozite stratificate, la care materialul dispersat este sub forma de formatiuni bidimensionale ;
• Compozite la care materialul dispersat are o distributie dirijata, obtinuta prin solidificare unidirectionala sau deformare plastica la rece.

C. In functie de configuratia geometrica a materialului dispersat

• Compozite cu fibre continue;
• Compozite cu fibre discontinue ;
• Compozite cu microparticule, procentul de material dispersat fiind de maximum 15 %, iar diametrul mediu al particulelor, in general de maximum 0.1μm ;
• Compozite cu particule mari, cu diametrul mediu al particulelor mai mare de 1μm ;
• Compozite lamelare stratificate ;

In cazuri mai rare se intalnesc si compozite combinate, in care elementele de armare sunt de forme si naturi diferite : particule + fibre, particule + placi stratificate, fibre + placi stratificate, particule + fibre + placi stratificate.

O categorie aparte, des utilizata, o reprezinta compozitele placate, caz in care unui produs tip placa masiva i se adauga cel mai frecvent pe ambele fete o placa mai subtire de armatura.

D. In functie de marimea materialului dispersat

• Macrocompozite, elementele de armare sunt la scara macroscopica;
• Microcompozite, elementele de armare sunt la scara microscopica.

E. In functie de starea de agregare a matricei si a materialului dispersat :

• Compozite de tip gaz-solid (structuri fagure, aerodispersii) ;
• Compozite de tip lichid lichid (emulsii) ;
• Compozite de tip lichid solid (suspensii, barbotine)
• Compozite de tip solid solid (metal-carbon, metal-particule ceramice, metal fibre metalice, metal-fibre ceramice, polimeri fibre, carbon - carbon).

F. In functie de natura matricei compozite cu matricea metalica

• Compozite cu matrice organica
• Compozite cu matrice ceramica
• Compozite cu matrice metalica

G. In functie de modul de realizare a suprafetei de contact

• Compozite integrate chimic, caracterizate de interactiuni de natura chimica in suprafata de contact ;
• Compozite obtinute prin agregare, caracterizate de existenta fortelor de legatura de adeziune si coeziune ;
• Compozite cu armare dispersa, fortele de legatura fiind in acest caz de natura fizica si /sau chimica.

H. In functie de modul de realizare, materialele compozite pot fi obtinute prin :

• Presare;
• Turnare;
• Extrudare;
• Injectie;
• Procese chimice.

I. Pornind de la criteriul configuratiei geometrice a materialului dispersat, materialele compozite pot fi caracterizate astfel :

• Materiale compozite fibroase, obtinute din fibre de diverse forme si dimensiuni inglobate intr-o matrice dintr-o mare varietate de resurse :

fibre naturale : lemn, in , canepa, etc ;

fibre sintetice organice :

- termoplastice : polipropilena, poliester, nylon etc

- termorigide : aramida.

-fibre anorganice pe baza de : sticla, bor, carbon etc

Matricea uneste fibrele intr-un corp continuu, le include si le protejeaza, transfera tensiunea si redistribuie eforturile cand unele fibre se rup. Matricea poate fi realizata din materiale organice, metalice sau ceramice si are densitate si rezistenta mai mica decat fibrele.

• Materiale compozite armate cu particule, rezultate prin inglobarea in matrice a mai multor elemente de natura organica sau anorganica:

particulele pot fi de natura metalica, ceramica, lemnoasa, mase plastice, adezivi ;

matricea poate fi din metal, mase plastice, ciment si trebuie sa asigure compatibilitatea cu particulele, inglobarea si distributia uniforma a acestora, pentru a obtine performante deosebite.

• Materiale compozite stratificate, alcatuite din cel putin doua lamine reunite:

stratificate obtinute din elemente tratate sau impregnate cu diferite substante chimice si prelucrate in mod corespunzator (presare, uscare etc)

stratificate armate cu fibre, realizate dintr-o succesiune de straturi suprapuse si orientate pentru a se obtine o rezistenta si o rigiditate cat mai ridicate (mase plastice armate, fierul beton, sticle securit) ;

stratificate protejate prin acoperire cu folii, foi, pelicule din metal, mase plastice, lemn, etc. cu proprietati de rezistenta la uzura, apa, foc, substante chimice s.a. imbunatatite.

De asemenea, dupa natura materialului matricei, materialele compozite se impart in :

compozite cu matrice organica;

compozite cu matrice metalica;

compozite cu matrice ceramica.

Una din definitiile materialelor compozite este urmatoarea [2]: materiale cu proprietati anizotrope, formate din mai multe componente, a caror organizare si elaborare permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale componentelor, astfel incat materialul rezultat sa posede proprietati finale generale, superioare componentelor din care este alcatuit.

O alta definitie care surprinde elementele esentiale care caracterizeaza aceste materiale este urmatoarea [2]: materialele compozite reprezinta o clasa moderna de materiale cu structura eterogena, alcatuita din doua sau mai multe materiale componente, care sunt puternic legate intre ele si conlucreaza eficient pentru a conferi ansamblului structural caracteristici superioare celor proprii componentelor solitare.

Din punct de vedere tehnic notiunea de materiale compozite se refera la materiale care poseda urmatoarele proprietati:

- sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente (sunt excluse compozitele naturale sau cele obtinute fara intentia de a crea un compozit, cum ar fi lemnul, fonta cenusie etc.)

- reprezinta o combinare a cel putin doua materiale deosebite din punct de vedere chimic intre care exista o suprafata de separare distincta;

- prezinta proprietati pe care nici un component luat separat nu le poate avea.

In functie de caracteristicile structurale, materialele compozite pot fi impartite in mai multe categorii:

Materialele compozite au fost definite in mai multe moduri, in functie de mai multi autori dupa cum urmeaza:

Materialele compozite sunt materiale realizate din doua sau mai multe componente care formeaza faze distincte si a caror combinare conduce la obtinerea unor efecte sinergetice. Ele difera fata de amestecurile sau aliajele obisnuite prin aceea ca fiecare component isi mentine caracteristicile individuale dar contribuie la cele ale materialului compozit numai prin calitati si nu prin defectele sale.

Materialele compozite sunt materiale cu proprietati anizotrope, formate din mai multe componente, a caror organizare si elaborare permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor din care sunt alcatuite

Materialele compozite constau din doua sau mai multe materiale distincte din punct de vedere fizic si separabile din punct de vedere mecanic, care pot fi realizate pe o cale controlata, conferind produsului final proprietati optime; proprietatile materialelor compozite sunt superioare si posibil unice, in unele directii specifice, fata de cele el componentelor individuale

Materialele compozite sunt concepute din mai multe substante, combinate la scara microscopica, ele avand proprietati fizico mecanice superioare elementelor constituiente

Materialele compozite pot fi definite ca materiale avand doi sau mai multi constituenti, care se gasesc sau nu intr-un echilibru chimic

1.2.Cererea, utilizarea materialelor compozite pe plan mondial

Materialele compozite, alaturi de ceramicele tehnice, polimerii tehnici, noile aliaje metalice (amorfe, cristaline, cu memoria formei etc.), fac parte din categoria noilor materiale, constituind un domeniu prioritar, sustinut in toate marile tari industrializate. Este un domeniu situat in amonte de procesul de dezvoltare tehnologica, cercetarea referitoare la materiale, precedand-o pe cea care conduce la componente, echipamente si sisteme. Industriile de varf sunt, de altfel, departe de a fi singurele care privesc dezvoltarea noilor materiale, orice inovare in acest domeniu avand un potential considerabil de antrenare .

Se asista in prezent la un progres axat, in special pe aranjarea si asocierea materialelor de baza diferite, granitele care separa in prezent principalele discipline de baza (metalurgia, chimia polimerilor, industria ceramicii, metalurgia pulberilor, etc.) tinzand sa dispara. Se asista, totodata si la o evolutie a procedeelor de transformare a materialelor, a metodelor de conceptie dar si a celor de asamblare. Dintre toate materialele noi, domeniul materialelor compozite (elaborarea, tehnologii de prelucrare, etc) se caracterizeaza, in cea mai mare masura, printr-o puternica interdisciplinare stiintifica si industriala, implicand un ansamblu de legaturi cercetare-dezvoltare performante.

Totodata, se constata ca , materialele compozite si multiplele tehnologii care le leaga sunt transectoriale. Astfel, materialele compozite create pentru industria aeronautica au ajuns sa fie utilizate in sectoare dintre cele mai diferite (industria navala, transporturi, energetica nucleara, electrotehnica etc.).

Preocupari si realizari de materiale compozite exista in toate tarile dezvoltate, ca urmare a dorintei de a continua procesul de inovare, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare si posibil de obtinut prin procedee si tehnologii eficiente si nepoluante.

In perioada 1985-1990, pe piata mondiala, materialele compozite au cunoscut o crestere medie anuala de 8.4%, urmand ca in continuare sa ajunga la 8.7%. de subliniat este si faptul ca pana in anul 1998, evolutia anula a pietei materialelor compozite este de 12 miliarde Euro.

Una din statisticile elaborate in Japonia, arata ca in anul 2000, productia mondiala de materiale compozite va fi de 2.5 miliarde de dolari.

Cererea produselor din materiale compozite ranforsate cu din fibre de grafit, pentru diverse zone geografice si diverse aplicatii este prezentata in figura 2. [3]

Avand in vedere proprietatile deosebite ale materialelor compozite, acestea se utilizeaza in numeroase domenii:

- domeniul constructiei de masini (rotoare de compresoare centrifugale, palete de ventilatoare, biele, scule aschietoare, scule pentru deformari la rece sau la cald etc.);

- domeniul aerospatial (structuri de aeronave, componente ale motoarelor functionand in regim termic ridicat, sisteme de franare etc.);

- domeniul transportului naval ( structuri pentru nave usoare, elemente puternic solicitate ale motoarelor etc.);

- domeniul transportului rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comanda, sistemul de franare etc.);

- domeniul electronicii si electrotehnicii (componente pasive piese diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente active capsule pentru circuite integrate etc.);

- domeniul medical (proteze) , casnic etc.

Figura 1.2. Cererea de compozite ranforsate cu fibre de grafit pe plan mondial

Totalul si procentul cererilor de materiale compozite ranforsate cu fibre de grafit, pe zone geografice, sunt prezentate in figura 3 [3]

Se observa ca cererea din SUA constituie jumatate din cererea totala din lume.

Figura1.3. Situatia cererii de materiale compozite ranforsate cu fibre, in procente, pe zone geografice

Realizari deosebite in directia studierii si dezvoltarii materialelor compozite metalice, au fost obtinute in Statele Unite ale Americii, Japonia, Franta etc. Ca urmare a preocuparilor existente in aceasta directie si a dezvoltarii pe scara larga a cercetarilor si a fabricatiei in domenii dintre cele mai variate.

Nivelul acestor realizari este rodul:

- cerintelor exigente ale domeniilor de cercetare dezvoltare;

- folosirii unui numar mai mare de cadre in activitatea de cercetare dezvoltare;

- investitilor in capacitati si echipamente complexe de fabricatie, experimentare si testare;

- avantajelor excelente pe care materialele compozite le prezinta;

Pe plan mondial, directiile de cercetare dezvoltare in domeniul materialelor compozite metalice , de exemplu, rezulta din strategia economica a fiecarei tari sau comunitati economice.

Preocuparile existente pe plan mondial se concretizeaza in:

- elaborarea unor studii teoretice si experimentale privind transformarile structurale si aparitia defectelor in materialele compozite metalice supuse actiunilor de deformare plastica sau radiatiilor nucleare;

- modelarea matematica a modificarilor proprietatilor materialelor compozite in functie de parametrii proceselor tehnologice, in special a cresterii defectelor de laminare in cazul aplicarii unor sarcini pulsatorii pe directie longitudinala;

- stabilirea bazelor teoretice privind fenomenele fizico-chimice care au loc la limita de separare a fazelor;

- elaborarea de noi materiale pentru matrice, cu structuri microcristaline sau amorfe, cu rezistenta inalta anticoroziva, cu o termorezistenta superioara etc;

- obtinerea de noi tipuri de sisteme de compozite metalice supradure, pe baza de carburi, boruri si siliciuri etc., in asociere cu diamante sintetice;

- dezvoltarea unor studii ale tehnologiilor de productie ale materialelor compozite de perspectiva, cu matrice cu rezistenta specifica inalta si modul de elasticitate superior, pe baza de aluminiu si titan, armate cu fibre de bor, carbon si bazalt;

- extinderea studierii posibilitatilor de utilizare a materialelor compozite pentru imbunatatirea caracteristicilor suprafetelor de contact, supuse unui proces de frecare si eroziune, prin optimizarea si perfectionarea tehnicilor de acoperire a suprafetelor metalice cu straturi micronice de amestecuri de carboruri, nitruri de bor si siliciu ori amestecuri metalo-ceramice pe baza de oxizi de aluminiu, zirconiu etc;

- stabilirea principiilor fizice de prognozare a uzurii materialelor anizotrope;

- determinarea capacitatii de deteriorare prin metoda controlului nedistructiv al materialelor compozite pe baza de fibre de carbon, a posibilitatii de aparitie si dezvoltare a fisurilor si defectelor in fibra de carbon;

- determinare experimentala a formei fisurii si a dispunerii coeficientilor de intensitate a tensiunilor si deformatiilor;

- studierea rezistentei la solicitari dinamice a invelisurilor cilindrice de la materialele compozite stratificate;

- analiza tridimensionala, prin metoda elementului finit, a acumularii uzurii in materialele compozite stratificate.

1.3. Cererea, utilizarea materialelor compozite in Europa

Pornind de la ramurile de varf ale tehnicii, materialele compozite au fost introduse treptat in toate domeniile de activitate, cum ar fi: industria nucleara, microelectronica, nonotehnica, industria de automobile, industria navala, industria materialelor sportive, industria chimica, medicina, mobila, constructii civile, sau industria bunurilor de larg consum.

Figura 1.4. Materiale compozite-distributia pietii in tarile Europei de Vest

Dupa cum se vede din graficul din figura 1.4. in tarile Uniunii Europene cea mai larga utilizare a materialelor compozite o gasim in industria transporturilor, dar si in domeniul constructiilor civile cu o utilizare de pana la 320 mii tone de materiale compozite.

Figura1.5. Materiale compozite
- distributia pe sectoare a produselor finite de compozite pentru tarile europene

1.6. Concluzii

Exista mai multe definitii ale materialelor compozite, mai multe abordari in definirea lor, insa toate conduc la aceeasi idee sau mai bine zis proprietate principala, si anume faptul ca sunt realizate artificial prin combinarea rationala a mai multor constituenti precum si combinatii ale acestora, astfel incat elaborarea si organizarea structurii acestora sa furnizeze proprietati superioare componentelor ce au concurat la obtinerea materialului compozit final. Astfel materialele compozite permit optimizarea din punct de vedere al componentelor combinand proprietatile lor structurale pentru o gama cat mai larga de aplicatii.

De asemenea, datorita principiului de elaborare, si anume combinarea mai multor elemente, exista mai multe tipuri de clasificari: in functie de modul de distributie al materialelor componente in compozit, de structura si organizarea acestora, in functie de configuratia geometrica a elementelor de armare, in functie de materialul dispersat si de modul de distributie al acestuia, in functie de distributia materialului dispersat, in functie de starea de agregare a matricei si a materialului dispersat etc. Toate aceste clasificari au rolul de a stabili grupe, familii de materiale, astfel incat sa fie facila identificarea compozitiilor materialelor, optimizarea lor in scopul aplicarii lor in cat mai multe domenii.

Realizarea de materiale compozite exista in toate tarile dezvoltate de pe mapamond , ca urmare a dorintei de a continua procesul de inovare, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare si posibil de obtinut prin procedee si tehnologii eficiente si nepoluante.

Incepand din anii 80 pana in anii 90, pe plan mondial materialele compozite au cunoscut o crestere anuala de pana la 8.4%, pana in prezent productia anuala mondiala ajunge la 2.5 miliarde de dolari. Cererea de materiale compozite a crescut exponential, mai ales a materialelor compozite ranforsate cu fibre, in special in SUA care constituie jumatate din cererea totala din lume, dar si in Europa in Franta , Germania ,Italia care au avut realizari deosebite in directia studierii si dezvoltarii materialelor compozite.

Utilizarea materialelor compozite are aplicatii din ce in ce mai diverse, in domenii tehnice variate cum ar fi: de la industria aeronautica, navala, a transporturilor, pana la medicina, electrotehnica, articole sportive, industria bunurilor de consum.